“基因指导蛋白质的合成”(第一课时)的教学设计

姚亭秀 赵 越

(北京市第八十中学 100102)

1 教材分析

“基因指导蛋白质的合成”为人教版高中生物学教材必修2第4章第1节的内容，是基于“基因的本质”，进一步阐明基因是如何指导蛋白质的合成的，并为学习“基因对性状的控制”“基因突变及其他变异”奠定基础，具有承上启下的重要作用。本课的学习重点为概述遗传信息的转录过程。学生要掌握这一内容，必须联系已学知识、辨析DNA与RNA结构的异同点，并将新旧知识相整合，明确mRNA的功能。在此基础上，通过归纳总结，抽提出遗传信息的转录过程。由于这部分内容复杂、抽象，故对学生的理解、掌握带来困难。

学生已经知道基因是有遗传效应的DNA片段、DNA主要存在于细胞核中、性状通过蛋白质体现、蛋白质的合成在细胞质中进行等基础知识；已经了解同位素标记法、密度梯度离心技术、DNA分子杂交技术等常用实验方法，在教学过程中，着眼于学生的“最近发展区”，通过设计环环相扣的问题，建立已有知识与新学知识间的内在联系，激发学生的学习兴趣与学习动机；借助对经典探究实验的分析，引导学生剖析实验现象背后的实质，将复杂与抽象转化为简洁与理性，进而完成对“转录”概念的意义建构。

2 教学目标

2.1 知识目标 说出DNA与RNA结构方面的异同点；概述遗传信息的转录过程。

2.2 能力目标 运用类比和对比，对DNA和RNA结构进行比较的能力；小组合作、分析经典实验，得出关于转录过程结论的能力；运用所学知识，归纳、演示、描述DNA转录过程的能力。

2.3 情感态度与价值观目标 体会实验探究精神；体会生命的复杂性、巧妙性与精准性。

3 教学过程

3.1 设置问题，指明方向 首先提出问题：性状是由什么物质决定的？性状通过什么物质体现？基因如何控制性状？引导学生建立“基因通过指导蛋白质的合成来控制性状”。

3.2 问题串驱动，对经典实验进行剖析 以环环相扣的问题链为驱动、以对经典探究实验的深入剖析为线索，引导学生将新知识与已学知识相整合，自主生成遗传信息的转录过程图及概念。

问题1(凸显“矛盾”)：真核生物的基因主要存在于细胞的什么结构中？蛋白质的合成场所是什么？设想基因指导蛋白质的合成方式有几种可能？引导学生根据已有知识解决问题，将片断的、零碎的知识关联化，并在前两个问题的铺垫下，明确真核生物中基因指导蛋白质合成的方式存在着时间和空间的变化。

问题2(抽丝剥茧)：对基因指导蛋白质合成方式的推测，哪种具有可行性、科学性？数据“DNA的直径约为2 nm，核糖体为圆形颗粒状，直径约为23 nm，细胞核的核孔为0.9 nm”说明什么问题？物理学家伽莫夫对DNA控制蛋白质合成的设想‘DNA结构本身就是蛋白质合成的直接模板’是否正确？”引导学生基于教师提供的实验数据及已有知识分析，得出“DNA本身不作为蛋白质合成的直接模板”。

问题3(溯本求源)：充当遗传信息的信使物质可能是什么?为什么？如果RNA充当遗传信息的信使，至少需要从哪些角度提供实验证据？引导学生通过小组合作的方式，讨论、推测、评述“为什么RNA适于作为DNA的信使”并最终达成共识，即要证明RNA是遗传信息的信使，至少需要有三方面的实验证据：①细胞核中存在有以DNA为模板获得RNA的过程；②细胞核中的RNA可以出细胞核，进入细胞质；③细胞质的核糖体上存在有RNA，且该RNA直接影响蛋白质的合成。

问题4(接近真相)：通过对下述经典实验[1，2]的剖析，你能得出怎样的实验结论？这些实验从哪个角度接近“事实的真相”？与同学讨论的哪个证据相契合？归纳总结各个经典实验的结论，能得出遗传信息存在怎样的时空动态传递过程？

(1)酵母菌酶解实验 1955年，比利时细胞生物学家Brachet用洋葱根尖细胞和变形虫进行实验，发现如果用分解RNA的酶把细胞内的RNA分解掉，蛋白质合成就停止；如果把从酵母菌中提取出的RNA再加进去，细胞重新合成蛋白质。

(该实验说明________的合成与________有关系)

(2)变形虫核移植实验：1955年，Goldstein和Plaut变形虫的核移植实验。

A组变形虫用放射性同位素3H标记的尿嘧啶核糖核苷酸来培养，发现标记的RNA分子首先在细胞核中合成,很快在细胞质中也发现放射性；B组变形虫未用放射性同位素标记的尿嘧啶核糖核苷酸来培养，变形虫的细胞核和细胞质中均未发现有标记的RNA。

在适当的时候，将这2组变形虫进行核移植实验：将A组变形虫的细胞核移植到B组变形虫的细胞质中，将B组变形虫的细胞核移植到A组变形虫的细胞质中，分别观察培养。发现：B组中放射性逐渐由细胞核中转移到细胞质中。

(该实验说明，RNA的合成场所在________，并会移至________)

(3)噬菌体侵染实验1∶1961年，布伦纳、雅格布、梅塞尔森设计了如下实验：①用含15NH4Cl和13C-葡萄糖的培养基培养大肠杆菌若干代，使其成为具有“重”核糖体的“重”细菌；②将这些“重”细菌转移到含14NH4Cl和12C-葡萄糖的培养基上培养，用噬菌体侵染这些细菌，该培养基中加入32P标记的尿嘧啶核糖核苷酸作为原料，以标记所有新合成的噬菌体RNA；③将上述被侵染后裂解的细菌进行密度梯度离心，并检测32P放射性的位置，结果如图1；④将新合成的噬菌体RNA与噬菌体DNA混合，出现DNA-RNA杂交链。

图1 噬菌体侵染实验的分析与检测

(③的离心结果说明，噬菌体侵染后细菌中的核糖体与细菌自身的核糖体________。32P位于离心管底部，说明新合成的噬菌体RNA是与________结合在一起的。④的结果说明，新合成的噬菌体RNA以________为模板合成的)

(4)噬菌体侵染实验2：1961年，霍尔、斯皮尔曼、罗穆拉构建了DNA-RNA分子杂交技术，并用噬菌体SP8侵染枯草芽孢杆菌，研究噬菌体侵染后产生的RNA，与噬菌体DNA、芽孢杆菌DNA的关系。

他们在SP8侵染细菌后，裂解大肠杆菌，分别提取大肠杆菌的DNA、SP8噬菌体的DNA和噬菌体侵染后产生的RNA。把RNA分别与加热分开的大肠杆菌DNA单链或噬菌体DNA单链混合在一起，缓慢冷却，发现新产生的RNA只与噬菌体的DNA中固定的一条单链形成DNA-RNA杂交分子，而不与大肠杆菌的DNA相杂交 。

(该实验证明合成的噬菌体的RNA是以________的DNA的________条链为模板，该RNA为________)

(5)1961年，韦斯、赫维茨发现合成RNA的酶，命名为RNA聚合酶(RNA polymerase)。

通过对上述经典探究实验的分析，学生自然了解了“遗传信息的转录过程”，并汇总出转录所需条件，同时体验了知识发生、发展历程，并将相关的概念、原理进行了情景化、自我内化，变被动记忆为主动探究。

3.3 新知实战，设置问题 转录过程是怎样的？能否给“转录”下个定义？

教师提供学具[3]，安排学生借其演示遗传信息的转录过程，教师通过巡视了解学生是否能够正确区别DNA与RNA，并了解遗传信息的转录过程。

教师提供视频,学生用自己的语言,描述视频所示转录过程,并给“转录”下定义。

3.4 新课拓展，激发兴趣 设置问题：人类是否已完全了解了转录过程？借助现代关于遗传信息的转录过程的研究成果[4]，丰富学生学科知识的同时，培养学生的科学素养，激发学生的学习热情，激励学生加入科学研究行列。

4 教学反思

本课教学中，采取“以问题为驱动力、以经典探究实验为佐证”的教学方式，辅助以学具、视频等教学手段，将抽象、微观的遗传信息转录过程，变为学生积极、自觉的认知活动，帮助学生深入理解生物学知识以提高生物学学习的趣味性，认识科学的本质。此外，通过对经典探究实验的分析，培养学生的思维能力，渗透人生观、价值观、世界观的教育。